【C语言】——结构体

- 一、结构体类型的声明
- - 1.1、结构体的声明
  - 1.2、结构体变量的创建和初始化
  - 1.3、结构体的特殊声明
  - 1.4、结构体的自引用
  - 1.5、结构体的重命名
- 二、结构体的内存对齐
- - 2.1、对齐规则
  - 2.2、结构体对齐实践
  - 2.3、为什么存在内存对齐
  - 2.4、修改默认对齐数
- 三、结构体传参
- 四、结构体实现位段
- - 4.1、什么是位段
  - 4.2、位段的内存分配
  - 4.3、位段的跨平台问题
  - 4.4、位段的应用
  - 4.5、位段使用的注意事项

一、结构体类型的声明

在前面，我们学习操作符时，我们已经简单介绍过了结构体类型（详情请看【C语言】——详解操作符（下））。本文，我们将继续深入讲解结构体。

1.1、结构体的声明

首先，我们来简单回顾一下结构体的基本知识：

struct tag//结构体标签
{
	member-list;//成员列表
}variable-list;//结构体变量

结构体就是某些值的集合，这些值被称为成员变量。结构体的成员可以是不同类型的变量

我们试着用结构体描述一位学生：

struct student
{
  int num;
  char name[32];
  float score;
}stu;

$s t r u c t$ 是定义结构体的关键字
$s t r u c t$ $s t u d e n t$ 是用户定义的结构体类型
$n u m$ 、 $score$ 是结构体的成员名
$s t u$ 是变量名

1.2、结构体变量的创建和初始化

#include<stdio.>
int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu s = { "张三",20,"男", "20240000001" };
	printf("name: %s\n", s.name);
	printf("age : %d\n", s.age);
	printf("sex : %s\n", s.sex);
	printf("id  : %s\n\n", s.id);

	//按指定的顺序初始化
	struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20240000002" , .sex = "女" };
	printf("name: %s\n", s2.name);
	printf("age : %d\n", s2.age);
	printf("sex : %s\n", s2.sex);
	printf("id  : %s\n", s2.id);
	return 0;
}

运行结果：

1.3、结构体的特殊声明

在声明结构体时，可以不完全声明，这种特殊的结构体叫匿名结构体

例如：

struct
{
	char c;
	int i;
	double c;
}s;

这个结构体在声明时，并没有加上结构体标签 $（ t a g ）$ ，这种结构体被称为匿名结构体。

匿名结构体在声明时，必须定义变量。

匿名结构体只能使用一次，以后你想使用它，抱歉，没有这个类型名，无法使用

一般我们创建这个结构体变量，只使用它一次时，才考虑使用匿名结构体

让我们看看下面的例子：

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], *p;

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;

警告：
虽然上面两个匿名结构体的声明是一样的，但是编译器还是会认为他们是两个完全不同的类型，所以是非法的。

匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用一次

正因为匿名结构体有多种限制与不便，因此一般不使用匿名结构体。

1.4、结构体的自引用

提及结构体的自引用，我们需先粗略地了解一下数据结构

数据结构，简单来说就是数据在内存中的存储和组织结构

数据结构分为多种

线性数据结构：顺序表、链表、栈、队列
树形数据结构：二叉树
图
······

下面，我们简单介绍顺序表和链表

假设，我们要存：1、2、3、4、5 这五个数据，很自然的想法就是连续开辟一块空间将他们放进去。
这种连续开辟空间的方式叫顺序表，其本质就是数组。它如一条线，把数据串联起来，是线性数据结构

还有另外一种方式：五个数据的存储在物理上空间上并不连续，可能之间隔了十万八千里，但是呢，可以通过1找到2，通过2找到3······一直找到5。

他们虽然在内存中不是连续的内存空间，但我们可以通过设计，把他们串联在一起，使他们虽物理不连续，但逻辑连续。

这种结构体叫做链表，像链条一样把他们串起来

图示：

我们将每个单独的内存块称为节点，不难发现，一个节点，除了要存储数据外，还要存储找到下一个节点的方法

那这样链表的节点可不可以这样定义呢？

struct Node
{
	int data;
	struct Node next;
};

struct Node这个节点，即存放了数据 $d a t a$ ，又包含了下个节点 $n e x t$ ，这样不就能实现链表了吗？

这样的设计方式可不可以呢
答案：不可以！
为什么呢？
我们来想一个问题：如果这样的话，sizeof(struct Node)多大？

由图可知，它可以无限套娃，是算不出具体大小的，它甚至可以无穷大，因此上面的定义方法是错的。

那又该如何定义呢？

正确的做法应该是让当前节点存放下一个节点的地址

struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
};

每个节点都由两部分组成：数据域与指针域

这样，我们就可以通过指针找到下一个节点的地址，当为最后一个节点时，让其指向空即可

同时，这样结构体的大小完全固定，可以计算

总结：

结构体中包含自己同类型的结构体是不允许的
结构体中包含自己同类型的指针的可行的

1.5、结构体的重命名

我们定义了一个结构体，觉得每次创建该结构体变量都要加上 $s t r u c t$ 难免太过太麻烦，那有没有什么办法可以简化呢？
我们可以用 $t y p e d e f$ 对其进行重命名

例如：

typedef struct student
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	char id[20];
}student;

struct student s1;
student s2;

这样，创建该结构体变量时，可以将 $s t r u c t$ 省去

同时，值得一提的是，在结构体的自引用过程中，掺杂了 $t y p e d e f$ 对结构体类型的重命名时，也容易出现错误，看看下面的代码，他是否可行呢？

typedef struct
{
	int data;
	Node* next;
}Node;

很显然，是不对的。重命名是在结构体定义完后才重命名，你怎么在结构体内就给我使用重命名后的变量了呢？这时我还不认识 $N o d e$ 这个符号呢。

正确写法应该是这样：

typedef struct
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;

二、结构体的内存对齐

我们已经掌握了结构体分基本用法，但我们有没有想过结构体的大小是这么计算的呢？成员与成员之间会像数组一样连续存放吗？让我们开启接下来的学习

2.1、对齐规则

首先，我们要掌握结构体对齐的基本规则

结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为 0 的地址处

其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍地址处。
对齐数 = 编译器默认对齐数与该成员变量的较小值
VS 中，默认对齐数为 8
$l in ux$ 中， $g cc$ 没有默认对齐数

结构体总大小为最大对齐数的整数倍（结构体成员每个都有对齐数，取所有对齐数中最大的那个）。

结构体如果嵌套了结构体的情况，结构体对齐到自己的成员的最大对齐数的整数倍数处。结构体的整体大小就是所有最大对齐数（包括嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍数的地址处。

2.2、结构体对齐实践

看了上面的对齐规则，想来大家都是满脸问号，没关系，我们直接上题，在实践中出真知。

题一：

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

我们对照上面的规则一步步来分析

char c1：他是结构体的第一个成员，对齐到结构体起始位置，这个没啥问题。
int i：由第二条：要对齐到对齐数的整数倍数处。 $in t$ 大小为 4，VS 中默认对齐数为 8，取较小值，对齐数为 4。即 $in t$ 要对齐到偏移量为 4 的整数倍地址处。这里，对齐到偏移量为 4 地址处。
char c2：由第二条规则， $c ha r$ 的对齐数为 1，可以直接接着 $i$ 对齐到偏移量为 9 的地址处，不用空出地址。
结构体总大小：总体结构体大小为最大对齐数的整数倍，该结构体成员中，最大对齐数为 $in t$ 的对齐数 4，因此要对到 4 点整数倍数处，此时 4 最小整数倍数为 12。

题二：

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

这题的成员类型与上面一题一样，那结构体大小有什么区别呢？

char c1：分析方法与上题一样，他为结构体第一个成员，对齐到结构体偏移量为 0 位置处。
char c2：由规则二： $c ha r$ 大小为 1，默认对齐数是 8，对齐数取较小值，为 1，所有整数都是一的整数倍数。因此对齐到偏移量为 1 地址处，即连续存放
int i：由规则二：算出 $in t$ 对齐数为 4，要对齐到 4 的整数倍数处，即偏移量为 8 地址处
结构体总大小该结构体的最大对齐数为 4，由规则三：结构体总大小为其整数倍，此时 4 最小整数倍数为 8

不知大家注意到没有，两个结构体，成员类型一样，但顺序不一样，导致整个结构体的大小有了差异。
所以，要想节省结构体所占用的空间，我们可以把对齐数较小的成员类型尽量集中创建。

题三：

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

这题的分析方法与前面的类似，这里就不过多赘述了，大家看图就一目了然

题四：

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

这题出现了嵌套结构体，那我们重点来讲一下嵌套结构。

struct S3 s3：前面，我们计算得出struct S3 s3大小 16，自己内部的成员最大对齐数是 $d o u b l e$ 的 8，即对齐到 8 的整数倍数处
结构体总大小：总大小是所有最大对齐数（包括嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍数， $c ha r$ $c 1$ 的对齐数是 1 ， $d o u b l e$ $d$ 的对齐数的 8，那我们再来看struct S3 s3，其内部的成员最大对其数是 $d o u b l e$ 的 8，因此结构体总大小要是 8 的倍数

2.3、为什么存在内存对齐

平台原因（移植原因）
不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些出特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
性能原因
数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对其。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次访问；而对其的内存访问仅需要一次访问。假设一个处理器试从内存中区 8 个字节，则地址必须是 8 的倍数。如果我们能保证将所有的 $d o u b l e$ 类型的数据的地址都对其成 8 的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个 8 字节块中。

总体来说：结构体内存对齐是拿空间换时间的做法

时间一去不复返，空间可循环利用

2.4、修改默认对齐数

若是觉得默认对齐数，我们可以自己修改默认对齐数

prama这个预处理指令，可以修改编译器的默认对齐数

例如：

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#pragma pack()//取消设置的对其数，还原为默认
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

上面的输出结果是什么？
答案：6

当然，修改对齐数不要随便给值，比如改成 3 就不合适了

三、结构体传参

我们知道，传参有两种方式，一种是传值传参，一种是传址传参。我们一起来看看结构体这两种传参方式。

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};

struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };

//结构体传参
void Print1()
{
	printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void Print2(struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
	Print1(s);
	Print2(&s);
	return 0;
}

那么上面两种传参方式哪个更好呢？
答案是：传址传参

为什么呢？
函数在传参的时候，参数是需要压栈的，会有时间和空间的系统开销

如果传递的是结构体对象，参数过大时，参数压栈的系统开销比较大，会导致性能下降。
所以，结构体传参，最好为传址传参。

四、结构体实现位段

了解完结构体的基本知识，我们来了解一下用结构体实现段的能力。

4.1、什么是位段

首先，我们来了解位段

位段的声明与结构体类似，但有两个不同点：

位段的成员类型必须是 $c ha r$ 、 $in t$ 、 $u n s i g n e d$ $in t$ 以及 $s i g n e d$ $in t$
位段的成员名后边要有一个冒号和一个数字。

例如：

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

那么到底什么是位段呢？位段中的位是二进制位的意思。

假设定义一个 $in t$ 类型变量，它共占 4 个字节即 32 个 $bi t$ 位。

现在假设有一种场景，每个变量的可能取值不多，只有： 0、1、2、3 这四种可能性。那么我们发现他们只需用 2 个二进制位就够了，这样就有 30 个二进制位被浪费了。

这时，我们就可以通过设计，让每个变量只占 2 个 bit 位

上面结构体定义的位段 $A$ ，意思是 $a$ 占 2 个 $bi t$ 位， $b$ 占 5 个 $bi t$ 位， $c$ 占 10 个 $bi t$ 位， $d$ 占 30 个 $bi t$ 位

这里我问问大家，位段 A 它所占内存空间是多少呢？
$a$ 占 2 位， $b$ 占 5 位、 $c$ 占 10 位、 $d$ 占 30 位，加起来一共 47 位，这样一共 6 个字节 48 个比特位就行，那大小是不是 6 呢？

我们实践来看看：

#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));
	return 0;
}

运行结果：

为什么会是 8 呢？让我们来了解一下位段的内存分配

4.2、位段的内存分配

位段的成员必须是 $c ha r$ 、 $in t$ 、 $u n s i g n e d$ $in t$ 或者 $s i g n e d$ $in t$ 类型
位段的开辟是根据需要，一次性开辟 4 个字节 $（ in t ）$ 或 1 个字节 $（ c ha r ）$ 的方式来开辟的
C语言中，对位段的定义并不明确，它设计很多不确定的因素，因此位段是不跨平台的，注重可移植性的程序应该避免使用位段

下面，我们举个例子，了解一下位段在空间中说如何开辟内存的

struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}

在 VS 编译器中。位段的成员是从右向左分配的，

先来看 $a$ ：10的二进制表示为 1010，因为 $a$ 大小只有 3 个 $bi t$ 位，舍去最高位的 1，从右存入 010
再看 $b$ ：第一个字节中， $a$ 占去 3 个 $bi t$ 位，而 $b$ 需 4 个 $bi t$ 位，可以继续存。12 的二进制位 1100，因为 VS 中是从右往左存，存在 010 左边
再看 $c$ ，在 VS 中，当一个位段过大，无法容纳于前面位段所剩余的空间时，舍弃该空间。
前面位段 $a$ 和位段 $b$ 已经占用 7 个 $bi t$ 位，剩下 1 个 $bi t$ 位，无法容纳 $c$ 所需的 5 个 $bi t$ 位，因此另开一个字节空间。
3 的二进制表示为 00011，从右存入该字节
再看 $d$ ：同理，剩余 3 个 $bi t$ 位的空间，无法容纳 $d$ 所需的 4 个字节，另开辟一个字节空间。4 的二进制表示 0100，从右存入新字节空间

图示：

4.3、位段的跨平台问题

上面，我们提到位段有许多不确定性，导致位段不可跨平台，可移植性差。那具体是哪些不确定性呢？

$in t$ 位段，被当成有符号数还是无符号数，这个不确定
位段中的最大数目不能确定（16位机器最大数为 16，32 位和 64 位机器最大数为 32，写成 27，在 16 位机器会出问题）
位段中，成员在内存中是从左到右分配还是从右到左分配尚未定义。
图：
当一个结构包含两个位段，当第二个成员比较大，完全无法容纳于第一个位段的剩余位时，是舍弃剩余位还是利用，这是不确定的。

总结：位段能达到与结构体一样的效果。同时，位段能很好的节约空间，但是位段的可移植性差。

4.4、位段的应用

位段在实际生活中有什么应用呢，我们一起来了解一下。
平时，与朋友聊微信时，我们的对话信息发送出去，如何确保对方能准确收到呢？

其实，数据在网络上不是裸奔的，它是用数据包所包裹，以确保信息能准确送达。就像我们寄快递一样，并不是物件直接寄过来，还要进行层层包裹并标注地址等信息

下面是IP数据包的基本格式：

可以看到，其中很多属性只需要用几个 $bi t$ 位就能描述，这里使用位段，既能达到想要的效果，又能节省空间。
数据包体积小，对网络的畅通是大有帮助的。
想想，高速路上，全是小轿车和全是大货车，哪种畅通。

4.5、位段使用的注意事项

位段是几个成员共用一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处上没有地址的。内存中，每个字节分配一个地址，而一个字节内部的 $bi t$ 位是没有分配地址的。

所以，在使用位段时，不能对其成员进行取地址操作，这也意味着不能直接通过 $sc an f$ 给位段变量输入值，只能先放在一个变量中，再赋值给位段成员

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	struct A sa = { 0 };
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	sa._b = b;
	return 0;
}